供應鏈視角小麥與初加工產品生產水足跡分析

馮變變 卓 拉 楊 西 王 偉 徐增輝 吳普特

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院， 陜西楊凌 712100； 2.西北農林科技大學水土保持研究所， 陜西楊凌 712100；3.中國科學院水利部水土保持研究所， 陜西楊凌 712100)

0 引言

隨著食物需求不斷增加，貿易活動日趨頻繁以及各行業間用水競爭持續加劇，區域水資源愈加有限，水資源高效可持續利用與管理面臨更大挑戰[1-3]。產品生產的上游和下游都具有生態影響，整個供應鏈各關鍵環節對水資源的占用和影響同等重要[4-5]。農業是中國第一用水大戶，農業用水占全國總用水量的61%[6]。準確量化農業生產過程中的水資源消耗，是落實最嚴格水資源管理制度和推進區域剛性水資源約束機制的關鍵基礎。農作物單產水平和水分生產力的提高常依賴肥料、農藥、能源等生產資料的大量投入。生產資料的生產與消費也消耗水資源，可視為作物生產間接的水消耗。但是，傳統的農產品耗水評價往往僅關注農作物在田間生長過程中的直接水消耗，即作物騰發量。與此同時，作物生產資料間接耗水在現實水資源管理中屬于工業水管理范疇，其與農業耗水之間的關系尚不明晰。

水足跡作為一種對人類活動產生的水資源消耗及其影響的綜合性評價指標，近年來被廣泛應用于追蹤供應鏈網絡下直接和間接的水分消耗和環境影響[7]。對作物來說，生產水足跡可分為直接水足跡和間接水足跡，直接水足跡為作物騰發量與稀釋污染物的水量，間接水足跡為生產供應鏈中生產資料的水分消耗。國內外研究一方面多專注于原糧產品直接水足跡及其結構在全球[8]、國家[9]、省級[10]、流域[11]和灌區[12]等不同尺度的量化，時間維度也從單個年份、多年均值到長時間序列不等[13-14]。僅少數研究涉及國家平均水平的作物間接水足跡量化。例如：徐長春等[15]基于中國生命周期數據庫量化了不同流域小麥生產直接水足跡和間接水足跡；ZHAI等[16-17]基于生命周期原理量化了包括生產資料投入在內的中國小麥、玉米和水稻作物生產水足跡及其影響。以上研究尚未考慮生產資料及其上游產品生產水足跡的區域差異，以及生產資料及其上游產品區域貿易造成的消費水足跡差異。另一方面，作物生產直接水足跡常被視為加工食品間接水足跡的重要部分。RIDOUTT等[18]對瑪氏公司巧克力和甜面醬的生命周期水足跡進行研究，量化系統邊界包含了原料田間生產、工廠加工、產品包裝、銷售和運輸、食用整個產業鏈，研究結果表明原料田間生產階段水足跡占兩個產品總水足跡的比例均在95%以上。RUINI等[19]考慮原料的跨國貿易，計算了Barilla公司生產的意大利面的水足跡，研究結果表明由于生產地及其環境狀況、農業技術等方面的差異，其水足跡也呈現差異。除了以上產品，考慮供應鏈的加工產品水足跡研究還集中于乳制產品[20]和棉質產品[21]，而針對中國農作物加工產品生產供應鏈各環節耗水特征以及區域差異還需進一步研究。

本文基于水足跡國際標準量化框架[22]，結合生命周期法，嘗試構建考慮生產資料及其上游產品完整供應鏈、國際和國內貿易的農產品生產水足跡量化框架。并以中國大陸30個省(不含海南省)為研究空間單元，對供應鏈視角小麥及其初加工產品面粉和麥麩生產水足跡進行量化，解析其耗水特征以及空間分布特點。以厘清區域農產品的農業和工業用水投入之間的聯系，為緩解區域水資源短缺和解決不同用水部門之間供需矛盾提供一定方法和數據參考。

1 材料與方法

1.1 系統邊界

產品水足跡指生產某產品各個階段直接或間接消耗的所有淡水資源[22]。一個完整的農產品生產系統耗水環節包括作物在田間種植的直接水消耗、生產供應鏈中生產資料投入的間接水消耗。所需要的生產資料投入包括種子、氮肥(N)、磷肥(P2O5)、鉀肥(K2O)、農藥、柴油和電力。圖1為供應鏈視角小麥及其初加工產品生產水足跡量化系統邊界。

1.2 小麥生產水足跡計算

作物生產水足跡由直接水足跡和間接水足跡組成。直接水足跡為作物田間生產水足跡，包括藍水足跡、綠水足跡和灰水足跡，本研究中藍水足跡和綠水足跡的量化采用基于AquaCrop模型[23-24]的柵格尺度作物生產水足跡計算方法[25]，分別由單位產量作物生育期騰發量中藍水量和綠水量表示[22]。灰水足跡指為吸收農田中因化肥和農藥施用過程中因淋溶等作用而進入水體的水量。本研究中考慮了氮肥和磷肥施用過程中氮和磷的影響，計算方法采用水足跡網絡提出的方法進行量化[22]。

間接水足跡為作物生產供應鏈中各種生產資料投入產品(包括農產品和工業產品)水足跡之和，各生產資料投入產品水足跡為各產品單位消費水足跡(采用消費水足跡進行計算，是考慮到生產資料產品由于區域貿易其產地和消費地多存在空間上的不匹配)和消耗量的乘積，計算式為

(1)

式中IWF——供應鏈視角下作物生產間接水足跡，m3/t

SWFcons,t——第t類生產資料消費水足跡，m3/t

t——生產資料，表示的7類生產資料分別為種子、氮肥、磷肥、鉀肥、農藥、柴油和電力

At——單位作物生產過程中第t類生產資料的消耗量，t/t

本研究中投入的農產品為種子，由于計算為初始計算，種子水足跡采用2015年作物田間生產水足跡進行計算，故只需對工業產品消費水足跡進行計算。

1.2.1產品消費水足跡計算

產品消費水足跡SWFcons(m3/t)按照水資源的來源地不同可劃分為本地生產水足跡SWFprod(m3/t)、省際進口水足跡SWFpe(m3/t)和國際進口水足跡SWFce(m3/t)，計算式為

SWFcons=SWFprod+SWFpe+SWFce

(2)

省份i的產品消費水足跡的計算需要結合本省產品生產水足跡、出口地區產品生產水足跡、運輸水足跡(運輸過程中燃料水足跡和直接藍水足跡)和區域貿易量進行計算，計算式為

(3)

式中SWFcons,i——省份i產品的消費水足跡，m3/t

SWF,i、SWF,j、SWF,ce——省份i、出口省份j、國外產品的生產水足跡，m3/t，SWF，ce取全球平均值

Pi——省份i產品的產量，t

Ipe,j——來自j省的凈進口量，t

Ice——來自國際凈進口量，t

lij、lce——省際運距、國際運距，km，lce取全球平均值

dw——省際運輸時單位產品運輸1 km消耗的水量，m3/km

SWFcons[E],j——省際運輸中出口省份j的燃料消費水足跡，m3/t

te——單位產品省際運輸1 km消耗的能源量，t/(t·km)

SWFcons[E]，ce——國際運輸的燃料消費水足跡，采用柴油進行計算，m3/t，采用全球平均值計算

tE——國際運輸中單位產品運輸1 km消耗的燃料量，t/(t·km)

綜上所述，只需對各生產資料產品生產水足跡及其區域貿易數據進行計算。此外，能源產品作為燃料水足跡的來源，應首先對能源產品生產和消費水足跡進行計算，能源產品消費水足跡計算同樣采用式(3)進行計算，其中SWFcons[E],j和SWFcons[E],ce均采用出口地的生產水足跡進行計算。

1.2.2產品區域貿易數據計算

能源產品即煤、石油、天然氣和電力。能源產品國際和省際貿易數據來源于《中國能源統計年鑒》[26]和文獻[27]。其他生產資料產品省際貿易數據則采用最短距離法[28-29]進行量化：基于各省每年各產品的供需平衡，同時考慮國際與國內各省之間產品流通，以運輸距離最短為約束條件，利用線性規劃方法得到相應的省際間產品流通量。約束條件為

(4)

式中Tij——i省運輸到j省的某一產品貿易量，t

lij——單位產品從i省運輸到j省的距離，km/t

L——運輸總距離，km

Si——i省產品可流出量，t

Dj——j省的產品需流入量，t

1.2.3作物生產供應鏈工業產品生產水足跡計算

作物生產供應鏈工業產品水足跡包括直接水足跡和間接水足跡。直接水足跡指工業產品生產過程中新鮮水消耗和稀釋污染物所需的水量。間接水足跡指工業產品生產供應鏈中投入產品的水足跡，采用消耗的物料量乘以其對應的單位質量產品生產水足跡。當投入產品生產地和消費地存在嚴重不匹配時采用產品的消費水足跡(如能源產品、合成氨、磷礦、硫鐵礦、硫磺)進行計算。因此，工業產品的水足跡量化需要其生產過程中的物料消耗清單，并對其中每個投入產品水足跡進行量化，可能存在多個上游產品，依次進行溯源。

圖2為作物生產供應鏈上工業產品生產水足跡量化系統邊界。工業產品供應鏈上游均為能源投入，故工業產品的水足跡量化以能源產品水足跡為基礎，自上而下進行計算。工業產品水足跡僅包括藍水足跡和灰水足跡。工業產品灰水足跡的核算采用國際標準量化框架的方法進行計算[22]。各省原煤和天然氣產品生產藍水足跡來自于文獻[27]，而灰水足跡則采用DING等[30]的全國平均值。原油產品水足跡數據結合文獻[27，30]的開采和加工數據，然后按照經濟價值比例進行計算得到柴油水足跡。表1為作物生產工業投入產品及其上游產品的物料消耗清單及數據來源。

表1 作物生產工業投入產品及其上游產品物料消耗清單及數據來源Tab.1 Inventory and data sources of material consumption related to production of industrial products

1.3 小麥初加工產品生產水足跡計算

對于小麥初加工產品而言，直接水足跡為生產加工用水，間接水足跡為原糧小麥和電力投入的水消耗。由于小麥加工過程為多投入多產出的生產系統，面粉和麥麩生產水足跡還需要根據各自的經濟價值進行分配，計算式為

(5)

(6)

式中SWF[fl]、SWF[br]——供應鏈視角下面粉、麥麩生產水足跡，m3/t

SWF[w]——供應鏈視角下小麥生產水足跡，m3/t

fv[fl]、fp[fl]——供應鏈視角下面粉價值比率、產品比率，數據來源于文獻[8]

fv[br]、fp[br]——供應鏈視角下麥麩價值比率、產品比率，數據來源于文獻[8]

SWFcons[el]——供應鏈視角下電力消費水足跡，m3/t

Wproc——小麥加工過程中的用水量，m3/t

1.4 數據來源

本文所需氣象數據(日平均降雨量、日平均最高溫度和日平均最低溫度等)來源于中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn)。全國各省作物播種面積和產量數據來源于《中國統計年鑒2017》。土壤類型和含水率數據分別來自ISRIC土壤地形數據庫[37]。作物生產中種子、N、P2O5、K2O、農藥和電力消耗量均來自《全國農產品成本收益資料匯編2017》，缺失省份數據由鄰近省份值代替。其中農藥和電力消耗量根據《全國農產品成本收益資料匯編2017》中投入費用與價格換算得到，其中電力消耗主要考慮排灌費。所需產品價格數據來源于中國產業信息網(http:∥www.chyxx.com/data/)。作物生產柴油消耗數據來源于文獻[38]。國際貿易運輸距離數據來源于網站(https:∥sea-distances.org)，國內運輸距離通過ArcGIS軟件識別最短距離。運輸水足跡相關數據來源于文獻[39]。與作物生產相關的工業產品省際貿易流動模擬所需的國際進出口數據以及省際間產量和消費量數據均來自《中國統計年鑒2017》、中國產業信息網(http:∥www.chyxx.com/data/)和《中國化學工業年鑒2016》。

2 結果與分析

2.1 小麥原糧生產水足跡

2016年供應鏈視角下小麥生產水足跡全國平均值為4 869 m3/t，灰水足跡占比77%，綠水足跡占比14%，與生產資料相關的間接水足跡占比為6%。區域間小麥生產水足跡及其構成存在較大差異(圖3)。其中水足跡低值區集中于華北、黃淮海和東北等北方地區，高值區分布在東南和華南等南方地區。就水足跡構成而言，省際間小麥間接藍水足跡在總藍水足跡中的貢獻率較大，在4%～25%之間，其中有9個省份間接藍水足跡占比超過10%，最高值出現在福建省。考慮到較大的直接水足跡和灰水足跡份額，作物生產水足跡在區域間的差異受區域單位面積的化肥施用強度影響較大。此外，全國不同的氣候條件、水資源稟賦、灌溉條件、農業和工業生產條件也將影響區域藍水足跡和綠水足跡的分布。

在小麥間接水足跡各組分中，農產品(種子)水足跡占比最大，工業產品水足跡占比較低。全國平均藍水足跡和灰水足跡貢獻率分別為13%和5%。然而，當具體到省級尺度時則存在較大差異。安徽省工業產品藍水足跡對小麥間接藍水足跡的貢獻率可達42%(圖4)。此外，各工業產品水足跡所占比例在省際間也存在差異。具體而言，北方地區工業產品藍水足跡以氮肥、磷肥和電力為主，南方地區則以氮肥、磷肥和農藥為主。工業產品灰水足跡則以氮肥和磷肥為主，多數區域二者貢獻率超90%。在多種工業產品生產資料中，氮肥和磷肥擁有較大的水足跡份額主要是由于擁有較高的生產水足跡(全國平均水足跡分別為254 m3/t和141 m3/t)和較高的消耗量。

由于作物生產供應鏈端各生產資料投入產品及其上游產品來源于密集的區域間物流，故作物生產水足跡中有部分水消耗并非來源于本地水資源。2016年中國小麥生產藍水足跡中外部水足跡在0.2～11.0 m3/t之間，省際進口水足跡的高值區主要集中在工業化程度較低的西北地區和經濟發達的東南沿海城市，這些地區工業產品消費主要依靠省際進口(表2)。國際進口水足跡主要集中于北京、天津港口城市及其附近城市(表2)。

2.2 小麥初加工產品生產水足跡

2016年小麥面粉和麥麩生產水足跡全國平均值分別為3 781 m3/t和11 037 m3/t，灰水足跡占比均為77%，直接水足跡均小于4 m3/t，水分消耗主要以生產資料投入的間接水足跡為主，占比近100%。此外，面粉和麥麩生產水足跡及其組成在省際間也呈現較大差異，分別在2 131～10 763 m3/t和6 220～31 420 m3/t之間(圖5)。受間接水足跡貢獻較大影響，面粉和麥麩水足跡空間分布同小麥水足跡一致，高值區均分布于南方地區。就水資源來源地而言，面粉和麥麩生產耗水也主要以本地水資源為主，省級和國際進口水足跡較低，分別為0.2～8.5 m3/t和0.5～24.9 m3/t(表3)，高值區同小麥一樣分布于西北和沿海港口城市。

3 討論

本研究通過構建供應鏈視角下農產品生產水足跡量化方法，并以中國大陸30個省小麥為研究對象，分析了供應鏈視角下小麥及其加工產品耗水特征及其空間分布特點。研究發現2016年供應鏈視角下小麥生產總水足跡主要以直接水足跡為主，間接水足跡整體較低，但是在區域間卻存在較大差異，比如福建省小麥生產間接藍水足跡占比可達25%。此外，由于生產資料的區域貿易，作物生產除了消耗和污染本地的水資源外，也會消耗和污染其他省份和國外的水資源。因此本文認為生產資料的間接水足跡不應該被忽視，并且提高農產品生產的用水效率不僅是農民和農業管理部門的責任。在耗水強度最大的農田生產階段，今后應繼續推廣節水灌溉技術和提高雨水利用效率，提高農業水分利用效率。考慮到小麥水足跡中較大的灰水足跡占比，各地區均應采取措施控制施肥量，在保證糧食產量的前提下提高肥料利用效率。與此同時，負責化肥、農藥產品以及能源產品原材料供應和加工制造的上游合作伙伴也應重視用水效率的提高。加強不同部門的合作，尤其是化工產業和農業的水資源管理合作是有必要的。例如，優化供應鏈結構，依靠當地供應鏈的產品需要改善生產工藝，提高資源能源利用效率；對于進口產品，可通過優先從生產效率較高的地區進口生產資料，實現貿易結構優化。

表3 供應鏈視角下小麥面粉和麥麩生產藍水足跡Tab.3 Blue water footprint of wheat flour and wheat bran production m3/t

本文中中國小麥生產藍、綠、灰水足跡分別為446、666、3 756 m3/t，與MEKONNEN等[8]所得中國1996—2005年小麥平均生產藍水足跡(471 m3/t)和綠水足跡(830 m3/t)相比，本研究中小麥藍、綠水足跡明顯較低，這主要是由于量化時間尺度的差異。多數研究表明中國不同區域水足跡估計值在長時間序列中均呈現下降趨勢[9]。在相近的研究時段里，本文研究的藍、綠水足跡均高于ZHANG等[40]計算的中國2011年小麥藍水足跡(239 m3/t)和綠水足跡(392 m3/t)，這和本研究擁有較廣的量化系統邊界有關。本研究考慮了包含種子、肥料、農藥和能源投入在內的生產資料間接水足跡。此外，本研究灰水足跡遠高于MEKONNEN等[8]所得的估計值(315 m3/t)，這主要歸結于：①較高的供應鏈灰水足跡，本文考慮了生產資料在整個生命周期過程中造成的間接水污染，MEKONNEN等[8]只考慮氮肥施用過程中造成的污染。②本文的污染物的最大允許濃度和自然本底濃度之差采用了更嚴格的假設值(0.8 mg/L)，而MEKONNEN等[8]為10 mg/L。

4 結束語

構建了供應鏈視角下農產品生產水足跡計算方法，并應用于中國省級尺度原糧小麥及其初加工產品生產水足跡量化。結果表明：供應鏈視角下全國平均小麥生產水足跡為4 869 m3/t，其中，生產資料的間接水足跡占比為6%；面粉和麥麩生產水足跡分別為3 781 m3/t和11 037 m3/t。小麥及其初級加工產品生產水足跡的大小與構成存在顯著空間異質性，福建省小麥生產間接藍水足跡占比可達25%。研究結果可為全面解析區域間農業和工業用水投入內在聯系、制定合理的配水方案以及落實“以水定產”戰略提供一定科學依據。